開關(guān)電源設(shè)計(jì)

摘要：隨著20世紀(jì)末全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來(lái)愈突出，如何降低其待機(jī)功耗，提高供電效率成為一個(gè)急待解決的問題。為了提高效率，人們研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源，它是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因?yàn)槿绱耍F(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透到了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來(lái)越快。開關(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，本文對(duì)各類開關(guān)電源的工作原理作一闡述。

關(guān)鍵詞：電源設(shè)計(jì) 仿真及應(yīng)用

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 目的和要求 開關(guān)電源通常是由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成的，指利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)，控制開關(guān)接通和斷開的，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，各種電子設(shè)備開始充斥人們的生活，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用在程控交換機(jī)、通訊等設(shè)備中。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，同時(shí)也為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。

1.2 性質(zhì) 開關(guān)電源的性質(zhì)有以下幾點(diǎn)：

1.2.1 寬電壓工作范圍。開關(guān)電源適用的交流電源范圍很寬，當(dāng)輸入的交流電壓在85～265V之間變化時(shí)，均可正常穩(wěn)定地輸出設(shè)備所需要的直流電壓，輸出電壓的變化小于2%。因此，開關(guān)電源特別適用于電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定、波動(dòng)較大的地區(qū)。

1.2.2 功率損耗小。由于開關(guān)電源工作頻率高，一般都在20kHz以上，因此濾波元件的數(shù)值大大減小，從而減小功耗，特別是開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，不需要加很大面積的散熱片，目前空載功耗可以做到小于0.3W，甚至更小，較小的功率消耗使機(jī)內(nèi)溫升較低，機(jī)內(nèi)電子元器件可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，因此采用開關(guān)電源，極大地提高了整機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2.3 體積小且重量輕。開關(guān)電源適配器使用的元器件雖多，但沒有使用體積大、比較重的線性電源變壓器，節(jié)省大量的漆包線和硅鋼片，故實(shí)際體積和重量比低頻線性電源適配器小得多，且輕得多。

1.2.4 安全可靠。無(wú)論哪一種類型的開關(guān)電源，其電路中都設(shè)置了各種保護(hù)電路（如過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、欠壓保護(hù)、尖峰脈沖抑制電路等）。當(dāng)開關(guān)電源本身或者負(fù)載設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，相關(guān)保護(hù)電路均會(huì)啟動(dòng)工作，自動(dòng)切斷輸出，且反應(yīng)靈敏、可靠。因而開關(guān)電源產(chǎn)品很安全，方便使用。

2 開關(guān)電源設(shè)計(jì)的綜述

2.1 開關(guān)電源設(shè)計(jì)的組成及結(jié)構(gòu) 開關(guān)電源大致由主電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源四大部分組成。

2.1.1 主電路。沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。輸入濾波器：其作用是過(guò)濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分。輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

2.1.2 控制電路。一方面控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定；另一方面，提供控制電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。

2.1.3 檢測(cè)電路。提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行的各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。

2.1.4 輔助電源。實(shí)現(xiàn)電源的軟件（遠(yuǎn)程）啟動(dòng)，為保護(hù)電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。

2.2 開關(guān)電源設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn) 開關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)：輔助。①功耗小，效率高。在開關(guān)電源電路中，晶體管的轉(zhuǎn)換速度很快，一般頻率在50kHz左右，甚至在一些發(fā)達(dá)國(guó)家頻率能夠達(dá)到1000kHz。其高頻率的特點(diǎn)導(dǎo)致其具有功耗小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。②體積小，重量輕。原本笨重的工頻變壓器不存在開關(guān)電源的原理框圖。③穩(wěn)壓范圍寬。通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬可以控制輸入信號(hào)電壓。

2.3 開關(guān)電源設(shè)計(jì)的缺點(diǎn) 開關(guān)電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。在一定情況下，開關(guān)電源產(chǎn)生的交流電壓和電流通過(guò)電路中的其他元器件會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取必要的制止措施，很可能影響整機(jī)的正常工作。

3 原理圖及電路原理分析

3.1 開關(guān)電源的原理框圖 交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成分的直流電壓，該電壓進(jìn)入高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

3.2 開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理 開關(guān)式穩(wěn)壓電源控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在實(shí)際的應(yīng)用中，調(diào)寬式使用的較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。

3.3 開關(guān)電源分析 自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源是一種利用間歇振蕩電路組成的開關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。

3.4 穩(wěn)壓電源 電源是整機(jī)能源的提供者，穩(wěn)定的電源是提高系統(tǒng)性能指標(biāo)的前提條件，為了保證電源部分不對(duì)性能指標(biāo)造成影響。首先，是采用性能優(yōu)良的集成穩(wěn)壓電路；其次，是采用大小功率電路分開供電。

4 開關(guān)電源設(shè)計(jì)的優(yōu)化

4.1 優(yōu)化的概述 各種電子設(shè)備不可缺少的一個(gè)組成部分就是電源，它性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作，因此，電源設(shè)計(jì)是硬件工程師必須掌握的基本技術(shù)之一。

4.2 產(chǎn)生干擾的原因 ①電磁干擾的產(chǎn)生與傳輸。電磁干擾傳輸有兩種方式：一種是傳導(dǎo)傳輸方式，另一種則是輻射傳輸方式。②電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理。從被干擾的敏感設(shè)備角度來(lái)說(shuō)，干擾耦合又可分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩類。傳導(dǎo)耦合按其原理可分為電阻性耦合、電容性耦合和電感性耦合三種基本耦合方式；輻射耦合除了從干擾源發(fā)出的有意輻射外，還有大量的無(wú)意輻射。③電磁干擾控制技術(shù)。濾波：在設(shè)計(jì)和選用濾波器時(shí)應(yīng)注意頻率特性、耐壓性能、額定電流等。屏蔽：電磁屏蔽按原理可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽三種。接地：接地有安全接地和信號(hào)接地兩種。搭接：只有良好的搭接才能使電路完成其設(shè)計(jì)功能，使干擾的各種抑制措施得以發(fā)揮作用。布線：應(yīng)選擇合理的導(dǎo)線寬度，采取正確的布線策略。

4.3 對(duì)產(chǎn)品的材料精益求精 電路和器件的選擇 目前市場(chǎng)上的電源開關(guān)都廣泛地采用了工程塑料（即人們通常所說(shuō)的PC材質(zhì)），塑料的好壞主要看塑膠件表面光澤是否鮮亮，好的工程塑料不會(huì)出現(xiàn)氣泡、裂紋和明顯變形等缺陷，用力觸按的時(shí)候具備良好的韌性。

4.4 改善開關(guān)電源設(shè)計(jì)的環(huán)境 以下幾點(diǎn)是為直流開關(guān)電源的多種保護(hù)電路：①過(guò)電流保護(hù)電路。在直流開關(guān)電源電路中，為了保護(hù)調(diào)整管在電路短路、電流增大時(shí)不被燒毀。②過(guò)電壓保護(hù)電路。直流開關(guān)電源中開關(guān)穩(wěn)壓器的過(guò)電壓保護(hù)包括輸入過(guò)電壓保護(hù)和輸出過(guò)電壓保護(hù)。③軟啟動(dòng)保護(hù)電路。④過(guò)熱保護(hù)電路。

4.5 完善參數(shù)的設(shè)定 在電力電子各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)處于核心地位。開關(guān)電源的技術(shù)概括為以下四個(gè)方面：①高頻化。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。②模塊化。模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。③數(shù)字化。現(xiàn)在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)。④綠色化。開關(guān)電源需要綠色化。

5 對(duì)開關(guān)電源的總結(jié)和趨勢(shì)

開關(guān)電源設(shè)計(jì)給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了開關(guān)原先的性能。諸如紅外線感應(yīng)開關(guān)電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源、單開關(guān)及雙開關(guān)電源等，甚至各種智能型電源開關(guān)等，所有這些都是以電源為基礎(chǔ)的。因此研究開關(guān)電源設(shè)計(jì)的仿真及應(yīng)用，有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。

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作者簡(jiǎn)介：陳志明（1984-），男，福建漳州人，副主任，初級(jí)助理工程師，研究方向：電子工程。